faser av cellcykeln

en typisk eukaryot cellcykel illustreras av mänskliga celler i kultur, som delar sig ungefär var 24: e timme. Som ses i mikroskopet är cellcykeln uppdelad i två grundläggande delar: mitos och interfas. Mitos (kärndelning) är det mest dramatiska stadiet i cellcykeln, vilket motsvarar separationen av dotterkromosomer och slutar vanligtvis med celldelning (cytokinesis). Mitos och cytokinesis varar emellertid bara ungefär en timme, så cirka 95% av cellcykeln spenderas i interfas—perioden mellan mitoser. Under interfas dekondenseras kromosomerna och distribueras genom kärnan, så kärnan verkar morfologiskt enhetlig. På molekylär nivå är emellertid interfas den tid under vilken både celltillväxt och DNA-replikation sker på ett ordnat sätt som förberedelse för celldelning.

cellen växer i jämn takt genom interfas, med de flesta delande celler fördubblas i storlek mellan en mitos och nästa. Däremot syntetiseras DNA under endast en del av interfas. Tidpunkten för DNA-syntes delar således cykeln av eukaryota celler i fyra diskreta faser (figur 14.1). M-fasen i cykeln motsvarar mitos, som vanligtvis följs av cytokinesis. Denna fas följs av G1-fasen (gap 1), vilket motsvarar intervallet (gap) mellan mitos och initiering av DNA-replikation. Under G1 är cellen metaboliskt aktiv och växer kontinuerligt men replikerar inte dess DNA. G1 följs av S-fas (syntes), under vilken DNA-replikation sker. Slutförandet av DNA-syntes följs av G2-fasen (gap 2), under vilken celltillväxt fortsätter och proteiner syntetiseras som förberedelse för mitos.

figur 14.1

faser av cellcykeln. Delningscykeln för de flesta eukaryota celler är uppdelad i fyra diskreta faser: M, G1, S och G2. M-fas (mitos) följs vanligtvis av cytokinesis. S-fas är den period under vilken DNA-replikation sker. Cellen växer (mer…)

varaktigheten av dessa cellcykelfaser varierar avsevärt i olika typer av celler. För en typisk snabbt prolifererande mänsklig cell med en total cykeltid på 24 timmar kan G1-fasen pågå cirka 11 timmar, S-fas cirka 8 timmar, G2 cirka 4 timmar och M cirka 1 timme. Andra typer av celler kan emellertid delas mycket snabbare. Spirande jäst kan till exempel utvecklas genom alla fyra steg i cellcykeln på bara cirka 90 minuter. Ännu kortare cellcykler (30 minuter eller mindre) förekommer i tidiga embryoceller strax efter befruktning av ägget (figur 14.2). I detta fall sker emellertid inte celltillväxt. Istället delar dessa tidiga embryonala cellcykler snabbt äggcytoplasman i mindre celler. Det finns ingen G1-eller G2-fas, och DNA-replikation sker mycket snabbt i dessa tidiga embryonala cellcykler, som därför består av mycket korta s-faser alternerande med M-faser.

figur 14.2

embryonala cellcykler. Tidiga embryonala cellcykler delar snabbt äggets cytoplasma i mindre celler. Cellerna växer inte under dessa cykler, som saknar G1 och G2 och består helt enkelt av korta s-faser som växlar med M-faser.

i motsats till den snabba spridningen av embryonala celler upphör vissa celler hos vuxna djur helt och hållet (t.ex. nervceller) och många andra celler delar sig bara ibland, efter behov för att ersätta celler som har gått förlorade på grund av skada eller celldöd. Celler av den senare typen inkluderar hudfibroblaster, liksom cellerna i många inre organ, såsom lever, njure och lunga. Som diskuteras vidare i nästa avsnitt, dessa celler avsluta G1 för att komma in i ett vilande stadium av cykeln kallas G0, där de förblir metaboliskt aktiva men inte längre proliferera om inte uppmanas att göra det med lämpliga extracellulära signaler.

analys av cellcykeln kräver identifiering av celler i de olika stegen som diskuterats ovan. Även om mitotiska celler kan särskiljas mikroskopiskt måste celler i andra faser av cykeln (G1, S och G2) identifieras med biokemiska kriterier. Celler i S-fas kan lätt identifieras eftersom de innehåller radioaktivt tymidin, som endast används för DNA-syntes (figur 14.3). Till exempel, om en population av snabbt prolifererande humana celler i kultur utsätts för radioaktivt tymidin under en kort tidsperiod (t.ex. 15 minuter) och sedan analyseras med autoradiografi, kommer ungefär en tredjedel av cellerna att vara radioaktivt märkta, motsvarande fraktionen av celler i S-fas.

figur 14.3

identifiering av s-fasceller genom inkorporering av radioaktivt tymidin. Cellerna exponerades för radioaktivt tymidin och analyserades genom autoradiografi. Märkta celler indikeras med pilar. (Från D. W. Stacey et al., 1991. Mol. Cell Biol. 11: 4053.) (mer…)

variationer av sådana cellmärkningsexperiment kan också användas för att bestämma längden på olika steg i cellcykeln. Tänk till exempel på ett experiment där celler utsätts för radioaktiv tymidin i 15 minuter, varefter den radioaktiva tymidin avlägsnas och cellerna odlas under varierande längder före autoradiografi. Radioaktivt märkta interfasceller som var i S-fas under tiden för exponering för radioaktivt tymidin kommer att observeras i flera timmar när de fortskrider genom resten av S och G2. Däremot kommer radioaktivt märkta mitotiska celler inte att observeras förrän 4 timmar efter märkning. Denna 4-timmars fördröjningstid motsvarar längden på G2-den minsta tid som krävs för en cell som införlivade radioaktivt tymidin i slutet av S-fasen för att komma in i mitos.

celler i olika stadier av cellcykeln kan också särskiljas genom deras DNA-innehåll (figur 14.4). Till exempel är djurceller i G1 diploida (innehållande två kopior av varje kromosom), så deras DNA-innehåll kallas 2n (n betecknar det haploida DNA-innehållet i genomet). Under S-fasen ökar replikationen cellens DNA-innehåll från 2n till 4n, så celler i S har DNA-innehåll som sträcker sig från 2n till 4n. DNA-innehåll förblir sedan vid 4n för celler i G2 och M, minskar till 2n efter cytokinesis. Experimentellt kan cellulärt DNA-innehåll bestämmas genom inkubation av celler med ett fluorescerande färgämne som binder till DNA, följt av analys av fluorescensintensiteten hos enskilda celler i en flödescytometer eller fluorescensaktiverad cellsorterare, därigenom särskilja celler i G1 -, S-och G2/M-faserna i cellcykeln.

figur 14.4

bestämning av cellulärt DNA-innehåll. En population av celler är märkt med ett fluorescerande färgämne som binder DNA. Cellerna passeras sedan genom en flödescytometer, som mäter fluorescensintensiteten hos enskilda celler. Data ritas som cell (mer…)